物聯網執行器和傳感器

物聯網 (IoT) 將信息技術的價值帶到了物理世界。通過將傳感器和執行器添加到計算機網絡，我們可以感知物理世界中發生的事情，使這些傳感器讀數可用于軟件算法，根據讀數計算結果，并最終驅動執行器使用這些計算來實現改變在物理世界中。通常，這些網絡是閉環的，這意味著傳感器會立即將執行器控制的物理參數讀回系統，從而關閉連續的實時循環，并允許對物理過程進行監控和嚴格控制。

物聯網執行器和傳感器

IoT 將執行器添加到計算機網絡中，而它們提供的對物理世界的控制又增加了 IoT 應用程序的復雜性。過去，軟件錯誤、計算機安全漏洞或組件故障等系統問題可能會引起 IT 經理的極大關注，因為他們的數據可能會損壞、丟失或被盜。當執行器被添加到網絡中時——特別是如果這些執行器控制強大或危險的系統，如機車、反應堆、變電站、車輛或醫療設備——如果系統被黑客攻擊或出現故障，可能會導致嚴重的財產損失、人身傷害甚至死亡. 因此，如果包含執行器，我們需要特別注意系統完整性和安全性等問題。

大多數傳感器和執行器包括各種類型的傳感器。換能器是將一種形式的能量轉換為另一種形式的能量的裝置。例如，汽車的制動器將機械能轉化為熱能。對于物聯網系統，幾乎所有傳感器都采用一些物理參數并將其轉化為電信號。同樣，物聯網系統中幾乎所有執行器都會接收電信號并將其轉換為某種物理輸出。物聯網系統中使用的物理參數貫穿你的物理教科書。這些可能包括電氣（電壓、電流、功率、電阻、電容、電感、頻率、相位等）、機械（位置、速度、加速度、重量、羅盤航向、重力、力、張力、壓力、流量、扭矩、磁場等）、聲學（聲音、振動、地震等）、圖像（光強度、照相機、顯示器、紅外 (IR)、光探測和測距（LiDAR 等）、化學（潛在氫 (pH) 濃度、成分、純度等）、醫學（心率、呼吸、血壓、溫度、腦電圖 (EEG)、等等）等等。對于所有這些物理參數和大多數可以感測的參數，實際上存在數千種類型的傳感器，并且存在模擬執行器來修改物理世界中的該參數。

傳感器通常包括一個原始傳感元件或傳感器，以及一個信號處理鏈，使原始讀數可用于聯網計算機。通常，原始傳感元件（如熱敏電阻、加速度計、麥克風或光傳感器）會產生適度的模擬信號。然后，該信號必須通過信號處理鏈，該鏈將原始信號放大、過濾并將其轉換為我們的控制計算機及其軟件可以輸入的格式。這通常涉及模數轉換和某種計算機接口，如 I2C 或 USB。精密的傳感器使用數字信號處理技術進一步過濾、調節、平均和格式化數字域中的傳感器讀數。

執行器具有反函數?？刂朴嬎銠C及其軟件的數字輸出通過接口傳送到驅動器，驅動器接收信號并將其轉換為執行器中傳感器所需的任何輸入。通常，這包括一個數模轉換器、一個輸出濾波器和某種放大器。數字信號處理器 (DSP) 和 D 類放大器等數字技術越來越多地應用于執行器中，以使其更加準確、響應迅速且能效更高。

使用執行器和傳感器實現簡單物聯網功能（例如泡茶）的示例

通常，網絡中傳感器和執行器的數量和多樣性出乎意料地高。停下來想一想您的智能手機及其包含的所有傳感器和執行器類型。為了更好地說明這一點，讓我們考慮一個泡茶的機器人系統。在下一代星際迷航中，皮卡德船長會靠近他的食物復制器并說“茶，伯爵茶，熱的”，幾秒鐘后，它就上桌了。雖然可能不存在用純能量在幾秒鐘內制成可口飲料所需的傳感器，至少現在還不存在，但讓我們考慮一個可以執行類似功能的實用系統，并查看一個完全實現的版本可能包含的所有傳感器和執行器：

這個過程的第一步是接受用戶的請求?？梢酝ㄟ^鍵盤陣列（簡單的按鈕傳感器）、電容式觸摸板（電容傳感器）、麥克風陣列（聲音傳感器）或尋找手勢的相機（圖像傳感器）進行訂購。訂單也可以通過計算機網絡到達，使用的連接類型可能包括光纖（光學傳感器）、無線（RF 傳感器）或有線（電子傳感器）。本地處理器接受此輸入并協調機器中的傳感器和執行器作為實時控制系統。如果這是一臺自動售貨機，額外的傳感器和執行器會接受貨幣或信用卡并驗證它們是真的。

接下來，我們要選擇一個茶包。我們的機器可能有不同類型的茶包雜志，代表它可以沖泡的品種。傳感器可以通過光學或機械方式確認袋子的存在。機器人致動器使用電機將雜志索引到正確的位置，并將選定的茶包放入沖泡站。另一個機器人執行器可以將杯子移動到沖泡站，傳感器確認它的位置正確。

現在，閥門執行器打開，讓水進入沖泡站。超聲波液位傳感器測量杯子的滿滿程度，并在適當的時候切斷閥門。熱傳感器監測茶沖泡時的溫度。降低茶包的電機可以輕輕地將其上下傾斜，以促進沖泡均勻。光學傳感器可以測量茶的顏色，以便在達到所需強度時取出茶包。像螺線管一樣的執行器可以將用過的茶包放入廢物接收器中。

額外的執行器可以添加選定的調味品，例如用于計量糖或奶精的電機驅動螺旋鉆，或用于分配蜂蜜的閥門。調味品箱中的光學、重量或超聲波傳感器可驗證供應是否充足以及分配器是否正確計量。一個小機器人勺子——需要幾個電機驅動的執行器來定位、移動和清潔它——最后攪拌一下，電機執行器打開傳送門并將杯子呈現給用戶。

因此，使用物聯網技術來自動化像沖泡一杯茶這樣簡單的事情可能需要幾十個傳感器和執行器、它們的接口電路、一個相當復雜的處理器和大量軟件。我不確定今天制造這樣一臺機器是否值得，但隨著傳感器和執行器的能力不斷提高，并且它們的成本不斷下降，這種系統的出現是有可能的。

關鍵點：

傳感器和執行器是物聯網網絡的決定性元素。

需要大量電子設備來放大、調節和連接從原始傳感器到控制處理器的信號。

即使是簡單的物聯網功能，甚至沖泡一杯茶，也需要大量不同類型的傳感器和執行器。

審核編輯：湯梓紅